Le nitrure de gallium est un semi-conducteur à large gap qui présente un intérêt considérable pour de nombreuses applications en opto et microélectronique. Cependant le développement de tels dispositifs est très limité du fait du manque de substrats adaptés pour leur réalisation. L'élaboration de monocristaux de GaN est donc devenue un enjeu mondial et constitue le cadre de cette étude. Nous avons transposé dans ce but deux procédés de cristallogenèse existants : d'une part la cristallogenèse hydrothermale du quartz-α (le solvant choisi étant NH3) et d'autre part la cristallogenèse du diamant à haute pression (le solvant choisi étant LiNH2 fondu). Dans les deux cas nous avons utilisé un corps mère plus ionique que GaN afin de faciliter l'étape de dissolution : nous avons alors élaboré le nitrure mixte Li3GaN2 par voie solvothermale. Dans le cadre de la première approche, des études par XPS et AES ont montré la faisabilité du transport et du dépôt de GaN par la voie ammonothermale sur divers substrats à températures et pressions modérées via un mécanisme en trois étapes : solubilisation de Li3GaN2 et formation de l'espèce GaN − 3 2 , transport de cette entité jusqu'au substrat et précipitation de GaN sur celui-ci. Dans le cas du deuxième procédé, nous avons étudié la nucléation de GaN, en mettant en évidence, par diffraction de rayons X, les influences antagonistes de la pression et de la température et par microscopie électronique et microsonde de Castaing la morphologie des grains micrométriques de GaN précipités.

Ce mémoire s'inscrit dans la construction d'une méthodologie d'analyse de défaillance pour l'évaluation de la fiabilité de diodes électroluminescentes, par une approche basée sur l'analyse physique de dégradation et l'extraction de signatures électriques de défaillance et optiques pour localiser les zones dégradées. L'ajout d'analyses physico-chimiques réduit le nombre de composants et peut confirmer les mécanismes de dégradation induits par les vieillissements en stockage actif. Un projet, en collaboration avec le CNES, a permis la mise en évidence des zones sensibles de DELs à MPQ InGaN/GaN à faible puissance (30mW) soumises à un vieillissement en conditions opérationnelles (1500h/85°C/Inominal). L'analyse de défaillance de ces DELs a permis d'expliquer une perte de 65% de puissance optique par la modification de la structure moléculaire de l'huile silicone activée photothermiquement induisant une perte de fluorescence de 69% et une très forte diminution de l'absorption de la lumière de la DEL (90%). Nous avons également démontré (projet CEA-LETI - éclairage public) que le même mécanisme est présent dans le mélange gel silicone/phosphore YAG:Ce de DELs blanches à MPQ InGaN/GaN soumises à un vieillissement similaire (85°C/550mA/500h). A 450nm, le rendement de fluorescence a augmenté de 1,2% malgré des pertes en absorption (> 94%) et en réémission de fluorescence (> 85%). La modification de la structure moléculaire du gel a induit une perte de puissance optique des DELs de 45% et une dérive de la couleur blanche vers le jaune (≈ 3,6%). Cette dérive est due à un décalage spectral de la fluorescence de l'UV (5nm) vers le bleu entraînant un décalage vers le rouge (2nm) de la lumière de la DEL.

Nous avons étudié par diverses techniques de photoluminescence les propriétés optiques d'hétérostructures à base de composés III-N de structure wurtzite. Des expériences de photoluminescence résolues en polarisation nous ont permis de mettre en évidence l'influence des contraintes et du confinement sur la structure de bande d'une hétérostructure. L'étude de boites quantiques uniques GaN/AlN a pu être réalisée sur un système original : une boite quantique comme tranche d'un nanofil. Ce nouveau système nous a ainsi permis d'identifier les émissions de l'exciton et du biexciton. Nous avons également démontré le caractère d'émetteur de photon unique d'une boite quantique insérée dans un nanofil grâce à une expérience de corrélation de photon fonctionnant dans l'ultraviolet. Nous nous sommes également intéressés aux propriétés optiques de microdisques III-N et avons mesuré des facteurs de qualité atteignant 11000, ouvrant la porte à l'étude de l'effet Purcell dans ces structures. Finalement nous nous sommes penchés sur la dynamique des porteurs et du spin dans les hétérostructures GaN/AlN. Les boites quantiques se révèlent extrêmement efficaces pour éviter les recombinaisons non radiatives, les temps de déclin de la luminescence étant indépendants de la température même pour des boites présentant des déclins de l'ordre de la microseconde. Les boites quantiques semblent aussi être très efficientes pour supprimer les effets de diffusion sur le spin d'un exciton localisé. En effet des expériences d'alignement optique en pompage quasi résonnant nous ont permis de montrer que la polarisation induite était conservée sur la durée de vie de l'exciton et ce jusqu'à température ambiante.

<p>GaN quantum dots grown by molecular beam epitaxy are examined by micro-photoluminescence. The exciton and biexciton emission are identified successfully by power-dependence measurement. With two different samples, it can be deduced that the linewidth of the peaks is narrower in the thicker deposited layer of GaN. The size of the GaN quantum dots is responsible for the binding energy of biexciton (E^b_XX); E^b_XXdecreases with increasing size of GaN quantum dots. Under polarization studies, polar plot shows that emission is strongly linear polarized. In particular, the orientation of polarization vector is not related to any specific crystallography orientation. The polarization splitting of fine-structure is not able to resolve due to limited resolution of the system. The emission peaks can be detected up to 80 K. The curves of transition energy with respect to temperature are S-shaped. Strain effect and screening of electric field account for  blueshift of transition energy, whereas Varshni equation stands for redshifting. Both blueshifting and redshifting are compensated at temperature ranging from 4 K to 40 K.</p>

Graded InGaN buffers were employed to relax the strain arising from the lattice and thermal mismatch in GaN/InGaN epilayers grown on sapphire. An enhanced strain relaxation was observed in GaN grown on a stack of five InGaN layers, each 200 nm thick with the In content increased in each layer, and with an intermediate thin GaN layer, 10 nm thick inserted between the InGaN layers, as compared to the conventional two-step growth of GaN epilayer on sapphire. The function of the intermediate layer is to progressively relax the strain and to annihilate the dislocations that build up in the InGaN layer. If the InGaN layers were graded too rapidly, more dislocations will be generated. This increases the probability of the dislocations getting entangled and thereby impeding the motion of the dislocations to relax the strain in the InGaN layer. The optimum growth conditions of the intermediate layer play a major role in promoting the suppression and filling of the V-pits in the GaN cap layer, and were empirically found to be a thin 10 nm GaN grown at 750 0°C and annealed at 1000 0°C. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Plastic relaxation was observed in InᵡGa₁₋ᵡN/GaN epilayers grown on c-plane sapphire substrates. The relaxation obeys the universal hyperbolic relation between the strain and the reciprocal of the layer thickness. Plastic relaxation in this material system reveals that there is no discontinuous relaxation at critical thickness and once a layer starts to relieve, it follows the same strain-thickness dependence, unconstrained by the original misfit until the material system work hardens. From x-ray diffraction calibration, the in-plane and normal relaxation constants KP0 and KN0 for the InᵡGa₁₋ᵡN/GaN grown on sapphire were found to be −0.98 ± 0.03 and +0.51 ± 0.03 nm, respectively. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Graded InGaN buffers are employed to relax the strain arising from the lattice and thermal mismatches between GaN/InGaN epilayers grown on sapphire. The formation of V-pits in linearly graded InGaN/GaN bulk epilayers is illustrated. The V-pits were sampled using Atomic Force Microscopy and Scanning Electron Microscopy to examine their variation from the theoretical geometry shape. We discovered that the size of the V-pit opening in linearly graded InGaN, with and without GaN cap layer, has a Gaussian distribution. As such, we deduce that the V-pits are produced at different rates, as the growth of the InGaN layer progresses. In Stage I, the V-pits form at a slow rate at the beginning and then accelerate in Stage II when a critical thickness is reached before decelerating in Stage III after arriving at a mean size. It is possible to fill the V-pits by growing a GaN cap layer. It turns out that the filling of the V-pits is more effective at lower growth temperature of the GaN cap layer and the size of the V-pits opening, which is continued in to GaN cap layer, is not dependent on the GaN cap layer thickness. Furthermore, graded InGaN/GaN layers display better strain relaxation as compared to conventionally grown bulk GaN. By employing a specially design configuration, the V-pits can be eliminated from the InGaN epilayer. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Nanoporous GaN films are prepared by UV assisted electrochemical etching using HF solution as an electrolyte. To assess the optical quality and morphology of these nanoporous films, micro-photoluminescence (PL), micro-Raman scattering, scanning electron microscopy (SEM), and atomic force microscopy (AFM) techniques have been employed. SEM and AFM measurements revealed an average pore size of about 85-90 nm with a transverse dimension of 70-75 nm. As compared to the as-grown GaN film, the porous layer exhibits a substantial photoluminescence intensity enhancement with a partial relaxation of compressive stress. Such a stress relaxation is further confirmed by the red shifted E₂(TO) phonon peak in the Raman spectrum of porous GaN. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

SiC MESFETs and GaN HEMTs have an enormous potential in high-power amplifiers at microwave frequencies due to their wide bandgap features of high electric breakdown field strength, high electron saturation velocity and high operating temperature. The high power density combined with the comparably high impedance attainable by these devices also offers new possibilities for wideband power microwave systems. In this thesis, Class C switching response of SiC MESFET in TCAD and two different generations of broadband power amplifiers have been designed, fabricated and characterized. Input and output matching networks and shunt feedback topology based on microstrip and lumped components have been designed, to increase the bandwidth and to improve the stability. The first amplifier is a single stage 26-watt using a SiC MESFET covering the frequency from 200-500 MHz is designed and fabricated. Typical results at 50 V drain bias for the whole band are, 22 dB power gain, 43 dBm output power, minimum power added efficiency at P 1dB is 47 % at 200 MHz and maximum 60 % at 500 MHz and the IMD3 level at 10 dB back-off from P 1dB is below ‑45 dBc. The results at 60 V drain bias at 500 MHz are, 24.9 dB power gain, 44.15 dBm output power (26 W) and 66 % PAE. In the second phase, two power amplifiers at 0.7-1.8 GHz without feed back for SiC MESFET and with feedback for GaN HEMT are designed and fabricated (both these transistors were of 10 W). The measured maximum output power for the SiC amplifier at Vd = 48 V was 41.3 dBm (~13.7 W), with a PAE of 32 % and a power gain above 10 dB. At a drain bias of Vd= 66 V at 700 MHz the Pmax was 42.2 dBm (~16.6 W) with a PAE of 34.4 %. The measured results for GaN amplifier are; maximum output power at Vd = 48 V is 40 dBm (~10 W), with a PAE of 34 % and a power gain above 10 dB. The SiC amplifier gives better results than for GaN amplifier for the same 10 W transistor. A comparison between the physical simulations and measured device characteristics has also been carried out. A novel and efficient way to extend the physical simulations to large signal high frequency domain was developed in our group, is further extended to study the class-C switching response of the devices. By the extended technique the switching losses, power density and PAE in the dynamics of the SiC MESFET transistor at four different frequencies of 500 MHz, 1, 2 and 3 GHz during large signal operation and the source of switching losses in the device structure was investigated. The results obtained at 500 MHz are, PAE of 78.3%, a power density of 2.5 W/mm with a switching loss of 0.69 W/mm. Typical results at 3 GHz are, PAE of 53.4 %, a power density of 1.7 W/mm with a switching loss of 1.52 W/mm. / Report code: LIU-TEK-LIC-2008:32

Certains domaines d'applications tels que l'aérospatial, l'automobile ou le forage de haute profondeur peuvent nécessiter la visualisation de certains paramètres physiques dans des environnements hostiles. Les capteurs microélectroniques basés sur le silicium y atteignent souvent leurs limites, qui sont qualifiées de conditions " sévères ". Ce travail se base principalement sur l'étude de solutions de capteurs mécaniques fonctionnant en conditions sévères. Le principe de ces capteurs repose sur l'exploitation de transistors de mesures HEMT à base de nitrures III-V (III-N), à la fois piézoélectriques et semiconducteurs, qui reste stable en conditions sévères. La compréhension des interactions entre physique des semiconducteurs et physique des matériaux ainsi que la caractérisation de structures possibles pour la détection mécanique représentent les principaux enjeux de ce sujet de thèse. La modélisation mécanique analytique et numérique des structures étudiées a permis d'appréhender le comportement de structures piézoélectriques multicouches. Le couplage de ce modèle électromécanique avec un modèle électronique du capteur a permis d'établir la faisabilité du principe de détection ainsi que la linéarité de la réponse du capteur. La caractérisation des prototypes réalisés en cours de thèse ont corroboré la linéarité du capteur tout en faisant apparaître l'influence de nombreux effets parasites réduisant sa sensibilité à savoir les effets de résistance parasites et de piézorésistances variables.